CN101441092A - 基于相干光时域反射的周界防护传感定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相干光时域反射技术的周界防护传感定位系统，包括光脉冲发射器、光接收机、光放大器、非平衡马赫－泽德干涉仪和传感光纤(或光缆)；其中，光脉冲信号在传感光纤(或光缆)中产生后向瑞利散射光，根据光时域反射原理，该瑞利散射光携带了沿传感光纤(或光缆)分布的各点的信息，其中包括损耗引起的强度信息和外部扰动引起的相位信息，利用非平衡马赫－泽德干涉仪解调出相位信息，可以实现防护报警和定位。本发明可应用于通信线路、输电线缆、油气管道等的安全检测和定位，也可以用在重要区域进行入侵安全防护以及应变、压力、振动检测等领域。

Description

基于相干光时域反射的周界防护传感定位系统

技术领域

本发明属光纤技术领域，涉及一种光纤传感定位系统，特别涉及一种基于相干光时域反射技术的传感定位方法和结构。

背景技术

基于光纤光缆的分布式光纤传感定位系统，具有同时获取在监测光纤光缆敷设区域内被测量随时间和空间变化的信息的能力，适用于长距离光纤光缆系统的分布式侦听检测领域。该传感系统主要用于检测定位应力、应变和振动，对需要防护重要区域、目标如：军事重地、管制区域、各种重要管线以及重要国境线进行入侵预警和监视并提供精确定位，是安全防护领域的重要技术。

现有技术中的基本结构1如图1所示，激光器102发射的连续光信号经非平衡马赫-泽德干涉仪后由相位调制器调制成调相信号作为载波信号，扰动信号经反射镜107反射后经非平衡马赫-泽德干涉仪到达接收机101、103，接收到的信号经频谱分析，根据频谱的极小值点得到扰动位置。

图1中所示现有技术中，传感系统的监控范围和定位精度受扰动频率影响，当扰动频率较低时，距反射镜几公里甚至十几公里的光纤都不能用作传感光纤，但离反射镜越远，定位精度却越差。

现有技术中的基本结构2如图2所示，激光器201、电脉冲发射器204和光调制器203组成光脉冲发生器，光脉冲经光放大器205放大后由环行器导入传感光纤，根据光时域反射原理，后向瑞利散射光经环行器由光接收机接收转换为电信号。当激光器的出射光的相干长度大于传感光纤长度、并且频率非常稳定时，光接收机输出的电信号具有稳定的相位，当传感光纤受到扰动时，电信号局部相位发生变化，根据相位发生变化的位置即可定位扰动位置。

图2中所示现有技术要求激光器输出信号的相干长度很长，即要求激光器具有非常窄的线宽，为了保证反射信号相位稳定，还要求激光器的输出光信号频率非常稳定。窄线宽和频率高稳定的激光器难以实现，因此难以商品化。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于相干光时域反射技术的周界防护传感定位系统，包括光脉冲发射器、光放大器、非平衡马赫-泽德干涉仪、光接收机和传感光纤(或光缆)。

所述光脉冲发射器、光放大器、光接收机和传感光纤(或光缆)构成普通光时域反射仪，所述光脉冲发射器产生的光脉冲信号具有比较宽的线宽，所述非平衡马赫-泽德干涉仪两臂差远大于光脉冲信号的相干长度，使得光接收机接收到的光信号中只有光程完全相同的光信号才能发射干涉。

假设非平衡马赫-泽德干涉仪两臂长度为L1、L2，传感光纤的长度为L3，光信号传输速度为v。在没有扰动时，接收机接收到的信号为：

P(x)＝Sα_rsP₀T₀v_ge^-2αxf(x)/2               (1)

式中x、S、α_rs、P₀、T₀、v_g、α和f(x)分别代表位置、光纤散射系数、瑞利散射损耗系数、入射光功率、光脉冲宽度、光信号在光纤中的传输速率、光纤损耗系数和阶跃函数。在没有扰动时，接收机接收到的功率随位置分布稳定，如图3下图中虚线所示。

假设在时刻t距非平衡马赫-泽德干涉仪距离为L处发生扰动，产生扰动相位φ(t)。光脉冲发射器发射的光脉冲信号经过非平衡马赫-泽德干涉仪、传感光纤，在扰动位置处返回到光接收机，经历了4条路径，对应的4个光程分别为L1+L+L+L1、L1+L+L+L2、L2+L+L+L1、L2+L+L+L2，其中只有中间的2个路径具有相同光程，发生干涉，接收机解调得到的对应位置为 $\frac{L2+L+L+L1}{2}=L+\frac{L1+L2}{2},$ 该位置处的输出功率为：

$P\′(L\′)=\frac{1}{2}{\mathrm{S\α}}_{\mathrm{rs}}{P}_0{T}_0{v}_g{e}^{-2\mathrm{\αL}\′}f(L\′)\{1+\cos [\mathrm{\φ}\left(\frac{L+L2}{v_g}\right)-\mathrm{\φ}\left(\frac{L+L1}{v_g}\right)]\}---\left(2\right)$

式中 $L\′=L+\frac{L1+L2}{2}$ 。任何扰动都会持续一定时间，因此在L处发生扰动时，x>L处的输出功率也会受到扰动相位的影响，如图3下图中实线所示。利用无扰动和有扰动情况下的输出功率差，即可确定扰动位置。如图3上图所示，扰动位置处会产生功率突变。

本发明的有益效果在于，光脉冲发射器使用宽谱光源极大降低了相干光系统要求的高稳定光源要求，降低了系统的复杂度和成本。本发明使用光时域反射原理中的扰动相位来定位，区别于传统的光时域反射仪中光强度定位技术，提高了传感系统的灵敏度，克服了现有技术中的测量盲区。本发明的定位精度与光时域反射仪的测距精度相当，与现有技术相比有显著提高。

附图说明

图1为现有技术中光纤传感定位系统结构1；

图2为现有技术中光纤传感定位系统结构2；

图3为本发明实施例1测试结果图；

图4为本发明实施例1的周界防护传感定位系统结构示意图；

图5为本发明实施例2的周界防护传感定位系统结构示意图；

图6为本发明实施例2测试结果图。

具体实施方式

本发明提供一种基于相干光时域反射技术的周界防护传感定位系统。以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

本发明提供一种基于相干光时域反射技术的周界防护传感定位系统，如图4所示，该系统包括光脉冲发射器404、光接收机405、光放大器406、非平衡马赫-泽德干涉仪407和传感光纤(或光缆)408；其中，光脉冲信号在传感光纤(或光缆)中产生后向瑞利散射光，根据光时域反射原理，该瑞利散射光携带了沿传感光纤(或光缆)分布的各点的信息，其中包括损耗引起的强度信息和外部扰动引起的相位信息，利用非平衡马赫-泽德干涉仪解调出相位信息，即可定位扰动位置。

本实施例中，所述光脉冲发射器404中采用了波长为1550nm的分布反馈式半导体激光器(DFB)401，相干长度为20米，所述电脉冲发射器403产生500ns宽度的脉冲，光电调制器402采用铌酸锂调制器。

所述光放大器406采用掺铒光纤放大器。

所述光接收机405采用雪崩光电二极管(APD)。

所述非平衡马赫-泽德干涉仪407采用了1个1 x 2光纤耦合器和1个2 x 2光纤耦合器，通过2段光纤连接，干涉仪2个臂长分别为2米和1959米。

所述传感光纤(或光缆)408采用一段8786米的普通单模光纤。

本实施例中，光脉冲信号发生器404发射光脉宽为500ns的光脉冲信号，脉冲间隔0.1ms，每发送一个脉冲，接收机采集一次信号。本实施例中，扰动源距非平衡马赫-泽德干涉仪的距离L为4395米，理想的信号突变处应该在5375.5米处，实验测试的有扰动和无扰动时接收功率差如图3上图所示，信号突变处发生在5377米处。

实施例二

本发明提供一种基于相干光时域反射技术的周界防护传感定位系统，如图5所示，该系统包括光脉冲发射器504、光接收机505、光放大器506、非平衡马赫-泽德干涉仪507和传感光纤(或光缆)508；其中，光脉冲信号在传感光纤(或光缆)中产生后向瑞利散射光，根据光时域反射原理，该瑞利散射光携带了沿传感光纤(或光缆)分布的各点的信息，其中包括损耗引起的强度信息和外部扰动引起的相位信息，利用非平衡马赫-泽德干涉仪解调出相位信息，即可定位扰动位置。

本实施例中，所述光脉冲发射器504中采用了波长为1550nm的法布里-珀罗(FP)多纵模半导体激光器501，线宽为20nm，所述电脉冲发射器503产生500ns宽度的脉冲，直接调制FP激光器。

所述光放大器506采用掺铒光纤放大器。

所述光接收机505采用雪崩光电二极管(APD)。

所述非平衡马赫-泽德干涉仪507采用了1个1 x 2光纤耦合器和1个2 x 2光纤耦合器，通过2段光纤连接，干涉仪2个臂长分别为2米和1959米。

所述传感光纤(或光缆)508采用一段8786米的普通单模光纤。

本实施例中，光脉冲信号发生器504发射光脉宽为500ns的光脉冲信号，脉冲间隔0.1ms，每发送一个脉冲，接收及采集一次信号。本实施例中，扰动源距非平衡马赫-泽德干涉仪的距离L为4395米，理想的信号突变处应该在5375.5米处，实验测试的有扰动和无扰动时接收功率差如图3上图所示，信号突变处发生在5375米处。

上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (6)

1.一种基于相干光时域反射技术的周界防护传感定位系统，包括光脉冲发射器、光接收机、光放大器、非平衡马赫-泽德干涉仪和传感光纤(或光缆)。

其特征在于光脉冲信号在传感光纤(或光缆)中产生后向瑞利散射光，根据光时域反射原理，该瑞利散射光携带了沿传感光纤(或光缆)分布的各点的信息，其中包括损耗引起的强度信息和外部扰动引起的相位信息，利用非平衡马赫-泽德干涉仪解调出相位信息，根据无扰动和有扰动之间的信号相位变化引起的信号功率变化，得到扰动源的位置。

2.根据权利要求1所述的传感定位系统，其特征在于，光脉冲发射器产生的光脉冲信号在非平衡马赫-泽德干涉仪中分成两路传向传感光纤(或光缆)，两路光信号时延不同，到达传感光纤(或光缆)时变成两个具有一定时间间隔的光脉冲，分别产生各自的后向瑞利散射光，经非平衡马赫-泽德干涉仪后被光接收机接收。

3.如权利要求1或2所述的传感定位系统，光源的相干长度小于非平衡马赫-泽德干涉仪中两干涉臂的长度差，光接收机接收到的光信号中只有往返光程相同的部分才发生干涉，利用该干涉信号解调出扰动位置。

4.如权利要求1或2所述的传感定位系统，其特征在于光脉冲发射器中的光源可以采用半导体激光器、气体激光器或固体激光器，产生光脉冲的方法可以采用直接调制激光器或采用外调制器。

5.根据权利要求1或2所述的传感定位系统，其特征在于，传感光纤(或光缆)可以是单模光纤、多模光纤或塑料光纤。

6.根据权利要求1或2所述的传感定位系统，其特征在于非平衡马赫-泽德干涉仪及其与传感光纤(或光缆)之间的连接方式。

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